水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械，它屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械。

    早在公元前100年前后，中國就出現(xiàn)了水輪機(jī)的雛形——水輪，用于提灌和驅(qū)動(dòng)糧食加工器械?，F(xiàn)代水輪機(jī)則大多數(shù)安裝在水電站內(nèi)，用來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在水電站中，上游水庫中的水經(jīng)引水管引向水輪機(jī)，推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。作完功的水則通過尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機(jī)的輸出功率也就越大。

    水輪機(jī)按工作原理可分為沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)兩大類。沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動(dòng)能的轉(zhuǎn)換；反擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動(dòng)能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。

    沖擊式水輪機(jī)按水流的流向可分為切擊式(又稱水斗式)和斜擊式兩類。斜擊式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)與水斗式水輪機(jī)基本相同，只是射流方向有一個(gè)傾角，只用于小型機(jī)組。

    早期的沖擊式水輪機(jī)的水流在沖擊葉片時(shí)，動(dòng)能損失很大，效率不高。1889年，美國工程師佩爾頓發(fā)明了水斗式水輪機(jī)，它有流線型的收縮噴嘴，能把水流能量高效率地轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚偕淞鞯膭?dòng)能。

    理論分析證明，當(dāng)水斗節(jié)圓處的圓周速度約為射流速度的一半時(shí)，效率最高。這種水輪機(jī)在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)輪的進(jìn)水速度方向不變，加之這類水輪機(jī)都用于高水頭電站，水頭變化相對較小，速度變化不大，因而效率受負(fù)荷變化的影響較小，效率曲線比較平緩，最高效率超過91％。

    20世紀(jì)80年代初，世界上單機(jī)功率最大的水斗式水輪機(jī)裝于挪威的悉·西馬電站，其單機(jī)容量為315兆瓦，水頭885米，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)／分，于1980年投入運(yùn)行。水頭最高的水斗式水輪機(jī)裝于奧地利的賴瑟克山電站，其單機(jī)功率為22.8兆瓦，轉(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/分，水頭達(dá)1763.5米，1959年投入運(yùn)行。

    反擊式水輪機(jī)可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機(jī)中，水流徑向進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪；在軸流式水輪機(jī)中，水流徑向進(jìn)入導(dǎo)葉，軸向進(jìn)入和流出轉(zhuǎn)輪；在斜流式水輪機(jī)中，水流徑向進(jìn)入導(dǎo)葉而以傾斜于主軸某一角度的方向流進(jìn)轉(zhuǎn)輪，或以傾斜于主軸的方向流進(jìn)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪；在貫流式水輪機(jī)中，水流沿軸向流進(jìn)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。

    軸流式、貫流式和斜流式水輪機(jī)按其結(jié)構(gòu)還可分為定槳式和轉(zhuǎn)槳式。定槳式的轉(zhuǎn)輪葉片是固定的；轉(zhuǎn)槳式的轉(zhuǎn)輪葉片可以在運(yùn)行中繞葉片軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以適應(yīng)水頭和負(fù)荷的變化。

    各種類型的反擊式水輪機(jī)都設(shè)有進(jìn)水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機(jī)的進(jìn)水裝置一般由蝸殼、固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉(zhuǎn)輪周圍。當(dāng)水頭在40米以下時(shí)，水輪機(jī)的蝸殼常用鋼筋混凝土在現(xiàn)場澆注而成；水頭高于40米時(shí)，則常采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。

    在反擊式水輪機(jī)中，水流充滿整個(gè)轉(zhuǎn)輪流道，全部葉片同時(shí)受到水流的作用，所以在同樣的水頭下，轉(zhuǎn)輪直徑小于沖擊式水輪機(jī)。它們的最高效率也高于沖擊式水輪機(jī)，但當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水輪機(jī)的效率受到不同程度的影響。

    反擊式水輪機(jī)都設(shè)有尾水管，其作用是：回收轉(zhuǎn)輪出口處水流的動(dòng)能；把水流排向下游；當(dāng)轉(zhuǎn)輪的安裝位置高于下游水位時(shí)，將此位能轉(zhuǎn)化為壓力能予以回收。對于低水頭大流量的水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪的出口動(dòng)能相對較大，尾水管的回收性能對水輪機(jī)的效率有顯著影響。

    軸流式水輪機(jī)適用于較低水頭的電站。在相同水頭下，其比轉(zhuǎn)數(shù)較混流式水輪機(jī)為高。軸流定槳式水輪機(jī)的葉片固定在轉(zhuǎn)輪體上，葉片安放角不能在運(yùn)行中改變，效率曲線較陡，適用于負(fù)荷變化小或可以用調(diào)整機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)來適應(yīng)負(fù)荷變化的電站。

    軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)是奧地利工程師卡普蘭在1920年發(fā)明的，故又稱卡普蘭水輪機(jī)。其轉(zhuǎn)輪葉片一般由裝在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作，可按水頭和負(fù)荷變化作相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保持活動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角和葉片轉(zhuǎn)角間的最優(yōu)配合，從而提高平均效率，這類水輪機(jī)的最高效率有的已超過94％。

    80年代，世界上尺寸最大的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)是中國東方電機(jī)廠制造的，裝在中國長江中游的葛洲壩電站，其單機(jī)功率為170兆瓦，水頭為18.6米，轉(zhuǎn)速為54.6轉(zhuǎn)／分，轉(zhuǎn)輪直徑為11.3米，于1981年投入運(yùn)行。世界上水頭最高的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)裝在意大利的那姆比亞電站，其水頭為88.4米，單機(jī)功率為13.5兆瓦，轉(zhuǎn)速為375轉(zhuǎn)／分，于1959年投入運(yùn)行。

    貫流式水輪機(jī)的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪間的水流基本上無變向流動(dòng)，加上采用直錐形尾水管，排流不必在尾水管中轉(zhuǎn)彎，所以效率高，過流能力大，比轉(zhuǎn)數(shù)高，特別適用于水頭為3～20米的低水頭電站。這種水輪機(jī)裝在潮汐電站內(nèi)還可以實(shí)現(xiàn)雙向發(fā)電。這種水輪機(jī)有多種結(jié)構(gòu)，使用最多的是燈泡式水輪機(jī)。

    燈泡式機(jī)組的發(fā)電機(jī)裝在水密的燈泡體內(nèi)。其轉(zhuǎn)輪既可以設(shè)計(jì)成定槳式，也可以設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)槳式。世界上最大的燈泡式水輪機(jī)(轉(zhuǎn)槳式)裝在美國的羅克島第二電站，水頭12.1米，轉(zhuǎn)速為85.7轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)輪直徑為7.4米，單機(jī)功率為54兆瓦，于1978年投入運(yùn)行。

    混流式水輪機(jī)是世界上使用最廣泛的一種水輪機(jī)，由美國工程師弗朗西斯于1849年發(fā)明，故又稱弗朗西斯水輪機(jī)。與軸流轉(zhuǎn)槳式相比，其結(jié)構(gòu)較簡單，最高效率也比軸流式的高，但在水頭和負(fù)荷變化大時(shí)，平均效率比軸流轉(zhuǎn)槳式的低，這類水輪機(jī)的最高效率有的已超過95％?；炝魇剿啓C(jī)適用的水頭范圍很寬，為5～700米，但采用最多的是40～300米。

    混流式的轉(zhuǎn)輪一般用低碳鋼或低合金鋼鑄件，或者采用鑄焊結(jié)構(gòu)。為提高抗汽蝕和抗泥沙磨損性能，可在易氣蝕部位堆焊不銹鋼，或采用不銹鋼葉片，有時(shí)也可整個(gè)轉(zhuǎn)輪采用不銹鋼。采用鑄焊結(jié)構(gòu)能降低成本，并使流道尺寸更精確，流道表面更光滑，有利于提高水輪機(jī)的效率，還可以分別用不同材料制造葉片、上冠和下環(huán)。

    世界上水頭最高的混流式水輪機(jī)裝于奧地利的羅斯亥克電站，其水頭為672米，單機(jī)功率為58.4兆瓦，于1967年投入運(yùn)行。功率和尺寸最大的混流式水輪機(jī)裝于美國的大古力第三電站，其單機(jī)功率為700兆瓦，轉(zhuǎn)輪直徑約9.75米，水頭為87米，轉(zhuǎn)速為85.7轉(zhuǎn)／分，于1978年投入運(yùn)行。

    斜流式水輪機(jī)是瑞士工程師德里亞于1956年發(fā)明，故又稱德里亞水輪機(jī)。其葉片傾斜的裝在轉(zhuǎn)輪體上，隨著水頭和負(fù)荷的變化，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作葉片繞其軸線相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)。它的最高效率稍低于混流式水輪機(jī)，但平均效率大大高于混流式水輪機(jī)；與軸流轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)相比，抗氣蝕性能較好，飛逸轉(zhuǎn)速較低，適用于40～120米水頭。

    由于斜流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，一般只在不宜使用混流式或軸流式水輪機(jī)，或不夠理想時(shí)才采用。這種水輪機(jī)還可用作可逆式水泵水輪機(jī)。當(dāng)它在水泵工況啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片可關(guān)閉成近于封閉的圓錐因而能減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)負(fù)荷。世界上容量最大的斜流式水輪機(jī)裝于蘇聯(lián)的潔雅電站，單機(jī)功率為215兆瓦，水頭為78.5米。

    水泵水輪機(jī)主要用于抽水蓄能電站。在電力系統(tǒng)負(fù)荷低于基本負(fù)荷時(shí)，它可用作水泵，利用多余發(fā)電能力，從下游水庫抽水到上游水庫，以位能形式蓄存能量；在系統(tǒng)負(fù)荷高于基本負(fù)荷時(shí)，可用作水輪機(jī)，發(fā)出電力以調(diào)節(jié)高峰負(fù)荷。因此，純抽水蓄能電站并不能增加電力系統(tǒng)的電量，但可以改善火力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，提高電力系統(tǒng)的總效率。50年代以來，抽水蓄能機(jī)組在世界各國受到普遍重視并獲得迅速發(fā)展。

    早期發(fā)展的或水頭很高的抽水蓄能機(jī)組大多采用三機(jī)式，即由發(fā)電電動(dòng)機(jī)、水輪機(jī)和水泵串聯(lián)組成。它的優(yōu)點(diǎn)是水輪機(jī)和水泵分別設(shè)計(jì)，可各自具有較高效率，而且發(fā)電和抽水時(shí)機(jī)組的旋轉(zhuǎn)方向相同，可以迅速從發(fā)電轉(zhuǎn)換為抽水，或從抽水轉(zhuǎn)換為發(fā)電。同時(shí)，可以利用水輪機(jī)來啟動(dòng)機(jī)組。它的缺點(diǎn)是造價(jià)高，電站投資大。

    斜流式水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片可以轉(zhuǎn)動(dòng)，在水頭和負(fù)荷變化時(shí)仍有良好的運(yùn)行性能，但受水力特性和材料強(qiáng)度的限制，到80年代初，它的最高水頭只用到136.2米(日本的高根第一電站)。對于更高的水頭，需要采用混流式水泵水輪機(jī)。

    世界上最大的混流式水泵水輪機(jī)裝于聯(lián)邦德國的不來梅蓄能電站。其水輪機(jī)水頭237.5米，發(fā)電機(jī)功率660兆瓦，轉(zhuǎn)速125轉(zhuǎn)/分；水泵揚(yáng)程247.3米，電動(dòng)機(jī)功率700兆瓦，轉(zhuǎn)速125轉(zhuǎn)/分。

    抽水蓄能電站設(shè)有上、下兩個(gè)水庫。在蓄存相同能量的條件下，提高揚(yáng)程可以縮小庫容、提高機(jī)組轉(zhuǎn)速、降低工程造價(jià)。因此，300米以上的高水頭蓄能電站發(fā)展很快。世界上水頭最高的混流式水泵水輪機(jī)裝于南斯拉夫的巴伊納巴什塔電站，其單機(jī)功率為315兆瓦，水輪機(jī)水頭為600.3米；水泵揚(yáng)程為623.1米，轉(zhuǎn)速為428.6轉(zhuǎn)/分，于1977年投入運(yùn)行。

    20世紀(jì)以來，水電機(jī)組一直向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展。隨著電力系統(tǒng)中火電容量的增加和核電的發(fā)展，為解決合理調(diào)峰問題，世界各國除在主要水系大力開發(fā)或擴(kuò)建大型電站外，正在積極興建抽水蓄能電站，水泵水輪機(jī)因而得到迅速發(fā)展。
補(bǔ)充  水輪機(jī)接力器

水輪機(jī)由下述主要部件組成：轉(zhuǎn)動(dòng)部分、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、埋入部分、主軸密封、受油器、回復(fù)機(jī)構(gòu)及油管路布置、軸承、接力器、離心開關(guān)等。  水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分由轉(zhuǎn)輪體、葉片、活塞、接力器等組成，轉(zhuǎn)輪有四個(gè)葉片。漿葉接力器裝設(shè)在轉(zhuǎn)輪體下游側(cè)泄水錐內(nèi)，采用活塞缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞固定不動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。

機(jī)械控制設(shè)備系統(tǒng)。包括水輪機(jī)的調(diào)速設(shè)備，如接力器及操作柜，事故閥門的控制設(shè)備，其它各種閘門、減壓閥、攔污柵等操作控制設(shè)備。

主接力器與配壓閥相同的是,也由活塞及殼體組成,但活塞的閥盤只有一個(gè),接力器是雙側(cè)進(jìn)油的,活塞的左、右油腔分別與配壓閥Ⅰ的上、下油孔相連。2運(yùn)動(dòng)過程分析主接力器與水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)直接相連,控制著水輪機(jī)的流量,即控制著水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成

調(diào)速器的作用：以轉(zhuǎn)速偏差為依據(jù)，迅速自動(dòng)地調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，已達(dá)到改變出力恢復(fù)轉(zhuǎn)速的目的。

調(diào)速器主要有以下幾個(gè)部分組成：

    測量機(jī)構(gòu)：測量機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差，并把偏差信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘?hào)，然后輸出。

    放大機(jī)構(gòu)(引導(dǎo)閥+輔助接力器、主配閥+主接力器，二級(jí)放大)：位移變化→油壓變化。

    執(zhí)行機(jī)構(gòu)：主接力器，控制導(dǎo)葉開度，改變流量，控制水輪機(jī)的引用流量，以調(diào)節(jié)機(jī)組的出力。

    反饋機(jī)構(gòu)：緩沖器和杠桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)調(diào)節(jié)使 = 時(shí)，反饋信號(hào)使調(diào)節(jié)停止。